LO STUDIO CON IL VLT

Ecco come si formano le magnetar

Si tratta dei resti super-densi delle esplosioni di supernova e sono i magneti più potenti dell'universo. Un'equipe di astronomi europei crede ora di aver trovato per la prima volta la stella compagna di una magnetar. Perché questa particolare stella non è collassata in un buco nero come gli astronomi si aspettavano?

Rappresentazione artistica della magnetar nell'ammasso stellare Westerlund 1, che si è formato probabilmente all'interno di un sistema binario. Crediti: ESO/L. Calçada

Rappresentazione artistica della magnetar nell’ammasso stellare Westerlund 1, che si è formato probabilmente all’interno di un sistema binario. Crediti: ESO/L. Calçada

Le magnetar sono bizzarri resti super-densi delle esplosioni di supernova. Sono i magneti più potenti dell’universo – milioni di volte più potenti rispetto ai più potenti magneti sulla Terra. Un’equipe di astronomi europei, utilizzando il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO crede ora di aver trovato per la prima volta la stella compagna di una magnetar.

L’ammasso stellare Westerlund 1, a circa 16 000 anni luce dalla Terra nella costellazione australe dell’Ara, contiene una delle circa venti magnetar note nella Via Lattea. Si chiama CXOU J164710.2-455216 ed è stata di grande sconcerto per gli astronomi. Questa scoperta aiuta a capire come si formino le magnetar – un rompicapo che dura da 35 anni – e perché questa particolare stella non sia collassata in un buco nero come gli astronomi si aspettavano.

Come si nascono le magnetar? Quando una stella massiccia collassa sotto la propria gravità durante un’esplosione di supernova, forma o una stella di neutroni o un buco nero. Le magnetar sono una forma insolita e molto esotica di stelle di neutroni: come tutti questi strani oggetti sono piccole e straordinariamente dense – un cucchiaino di materia di una stella di neutroni avrebbe una massa di un miliardo di tonnellate – ma hanno anche un campo magnetico molto potente. La superficie di una magnetar rilascia grandi quantità di raggi gamma quando subisce un improvviso aggiustamento subendo un “astrosisma” (starquake) a causa dell’enorme sollecitazione nella crosta.

L'ammasso stellare Westerlund 1 e la posizione della magnetar e della probabile ex-compagna. Crediti: ESO

L’ammasso stellare Westerlund 1 e la posizione della magnetar e della probabile ex-compagna. Crediti: ESO

Che cos’è Westerlund 1? L’ammasso aperto Westerlund 1 fu scoperto nel 1961 in Australia dall’astronomo svedese Bengt Westerlund, che successivamente si trasferì e divenne Direttore dell’ESO in Cile (1970-74). Questo ammasso si trova al di là di un’enorme nube insterstellare di gas e polvere, che blocca la maggior parte della luce visibile. Il fattore di attenuazione è superiore a 100 000 e questo è il motivo per cui ci è voluto così tanto tempo per scoprire la vera natura di questo particolare ammasso.

È un laboratorio naturale unico per studiare la fisica estrema delle stelle e aiuta gli astronomi a scoprire come le stelle più massicce della Via Lattea vivono e muoiono. Dalle osservazioni gli astronomi hanno concluso che questo ammasso estremo molto probabilmente contiene almeno 100 000 volte la massa del Sole e che tutte le stelle si trovano all’interno di una regione di meno di 6 anni luce di diametro. Westerlund 1 così sembra essere il più massiccio tra i giovani ammassi stellari compatti finora identificati nella Via Lattea.

Tutte le stelle finora analizzate in Westerlund 1 hanno massa di almeno 30-40 volte quella del Sole. Poiché queste stelle vivono poco – in termini astronomici – Westerlund 1 dev’essere molto giovane. Gli astronomi ne stimano l’età tra 3,5 e 5 milioni di anni. Perciò Westerlund 1 è proprio un neonato nella nostra galassia.

“Nel nostro lavoro precedente abbiamo dimostrato che la magnetar dell’ammasso Westerlund 1 deve essere nata dalla morte esplosiva di una stella di massa pari a circa 40 volte quella del Sole. Ma questa spiegazione hai i suoi problemi, poiché stelle così massicce dovrebbero collassare in un buco nero dopo la propria morte, non in una stella di neutroni. Non capivamo come avesse potuto diventare una magnetar”, ha detto Simon Clark, autore principale dell’articolo che descrive i risultati. Gli astronomi hanno suggerito che la magnetar si è formata attraverso l’interazione di due stelle molto massicce in orbita l’una intorno all’altra in un sistema binario così compatto che sarebbe contenuto dall’orbita della Terra intorno al Sole. Ma finora nessuna compagna è stata rilevata alla posizione della magnetar in Westerlund 1, perciò gli astronomi hanno usato il VLT per cercarla in altre zone dell’ammasso. Cercavano una stella in fuga  – oggetti che sfuggono dall’ammasso ad alta velocità – che avrebbe potuto essere stata cacciata fuori dalla sua orbita dall’esplosione di supernova che aveva formato la magnetar. È stata trovata una stella, Westerlund 1-5 che si comportava proprio così.

“Non solo questa stella ha la velocità elevata che ci si aspetta dal rinculo di una esplosione di supernova, ma la combinazione di bassa massa, alta luminosità e composizione ricca di carbonio sembrano impossibili da replicare in una stella singola – un indizio schiacciante che mostra che originariamente si deve essere formata con una compagna in un sistema binario “, ha aggiunto Ben Ritchie (Open University), co-autore dell’articolo.

Panoramica del cielo intorno all'ammasso stellare Westerlund 1. Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2; acknowledgment: Davide De Martin

Panoramica del cielo intorno all’ammasso stellare Westerlund 1. Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2; acknowledgment: Davide De Martin

La scoperta ha permesso agli astronomi di ricostruire la storia della vita di questa stella che ha permesso alla magnetar di formarsi, al posto del buco nero previsto. Quando le stelle invecchiano le loro reazioni nucleari ne modificano la composizione chimica – gli elementi che alimentano le reazioni nucleari si esauriscono mentre i prodotti delle reazioni si accumulano. L’impronta chimica di questa stella è ricca di idrogeno e azoto ma povera di carbonio: poiché solo molto tardi nella vita delle stelle il carbonio aumenta, e in quel momento sia l’idrogeno che l’azoto sono molto ridotti, si pensa che sia impossibile per una stella singola essere ricca di idrogeno, azoto e carbonio contemporaneamente, come troviamo invece in Westerlund 1-5.

Nella prima fase del processo la stella più massiccia della coppia inizia a rimanere a corto di combustibile, trasferendo i suoi strati esterni alla compagna meno massiccia – che è destinata a diventare la magnetar – e facendola così ruotare sempre più velocemente. Questa rapida rotazione sembra essere l’ingrediente essenziale per la formazione del campo magnetico ultra forte della magnetar. Nella seconda fase, a seguito del trasferimento di massa, la compagna stessa diventa così massiccia che a sua volta inizia a perdere grandi quantità della sua massa appena acquisita. La gran parte di questa massa viene persa, ma una parte ritorna alla stella originaria che vediamo brillare oggi come Westerlund 1-5.

“È questo processo di scambio di materia che ha dato una caratteristica chimica unica a Westerlund 1-5 e ha permesso alla massa del compagno di diminuire a livelli così bassi che una magnetar è nata al posto del buco nero – un gioco stellare con conseguenze cosmiche!”, ha concluso il membro dell’equipe Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Spagna).

Sembra che essere una delle due componenti di un sistema doppio sia dunque un ingrediente essenziale nella ricetta delle magnetar. La rotazione rapida creata dal trasferimento di massa tra le due stelle sembra necessaria per generare il campo magnetico ultra-forte e quindi un secondo trasferimento di massa permette alla futura magnetar di dimagrire sufficientemente da non collassare più in un buco nero nel momento della propria morte.

[Fonte: Eso]